한국산 고란초목(polypodiales) 식물의 분자계통학적 연구 = A molecular phylogenetic study of polypodiales in Korea

국문 초록 (Abstract)

한국의 양치식물은 많은 학자들에 의해 형태적인 분류학 연구가 주를 이루고 있으며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 분자계통학적 연구가 활발하게 진행되지 못한 상황이다. 이는 양치식물의 동정이 어려우며, 대부분의 분류군들이 주로 제주도, 남해도서, 무인도서 등 접근이 어려운 지역에 적은 개체수로 분포하고 있기 때문으로 판단된다. 이에 본 연구는 한국에 분포하는 양치식물의 80%를 차지하는 고란초목의 분자계통학적 연구를 수행하여 고란초목의 분류군의 위치를 추정하고자 수행되었다.
본 연구에는 양치식물에서 자주 사용되는 엽록체 DNA trnH-psbA, rbcL, matK 구간을 사용하였다. 그 결과 고란초목은 단계통을 형성하였고 모든 종이 뚜렷하게 구분되어 기존의 연구결과와 같은 결과를 도출하였다. 또한 각 분계도는 기존에 연구된 형태적인 형질에 근거하는 분류체계를 지지하는 것으로 나타났다.
봉의꼬리과(Pteridaceae)는 공작고사리과(Adiantaceae), 일엽아재비과(Vittariaceae), 물고사리과(Parkariaceae)와 같은 분계조를 형성하였으며 봉의꼬리과의 선바위고사리속(Onychium)과 봉의꼬리속(Pteris)은 같은 분계조로 나타났다. 꼬리고사리과(Aspleniaceae)는 기존에 진정고사리Ⅱ(EupolypodⅡ)에 속하는 연구결과와 달리 독립된 분계조로 나타났다. 관중과(Dryopteridaceae)는 2개의 분계조로 나누어지며 쇠고비속(Cyrtomium), 십자고사리속(Polystichum)이 첫 번째 분계조로 나타났으며 관중속(Dryopteris), 쇠고사리(Arachnoides), 왁살고사리속(Leptorumohra)이 두 번째 분계조를 형성하였다. 개고사리과(Athyriaceae)는 2개의 consensus tree에서 속이 모두 다계통으로 나타났으며, 처녀고사리과(Thelypteridaceae)는 단계통으로 별고사리속(Cyclosorus), 진퍼리고사리속(Lepteogramma), 제비꼬리고사리속(Pseudocyclosorus)이 첫번째 분계조로 나타났으며 처녀고사리속(Thelypteris)은 두 번째 분계조로 나타났다. 야산고비과(Onocleaceae)와 새깃아재비과(Blechnaceae)는 같은 분계조로 나타났다. 고란초과(Polypodiaceae)도 단계통으로 나타났으며, 줄고사리과(Lomariopsidaceae), 주걱일엽속(Loxogramme)과 같은 분계조로 나타났다.
결론적으로 본 연구 결과는 이전의 연구와 유사하게 나타났으나, matK 구간의 추가로 인해 기존에 분류되던 Eupolypod group에 다른 결과를 보여주는 것으로 나타났다.

양치식물은 포자체가 배우자체를 만든 후 수정할 수 있으며, 무수정으로도 개체를 형성하고 무성아를 만들 수 있는 생활사를 갖고 있기 때문에 비정형의 형질이 빈번하게 발생하여 종의 식별이 어려우며, 또한 종간, 속간 잡종이 활발하게 일어나기 때문에 종의 식별에 더욱 어려움이 있다. 또한 DNA barcoding은 현재까지 현화식물 위주로 연구가 이루어졌으며 최근에는 양치식물 또한 DNA barcoding의 표준화된 연구방법이 시도되고 있다. 따라서 이런 양치식물은 정확한 종 동정이 어려운 분류군으로 알려져 있다. 이런 양치식물의 가장 많은 분류군을 가지고 있는 고란초 목의 정확한 동정 및 식별을 위해 한국산 고란초목 식물 17과 202분류군 555개체를 대상으로 엽록체 barcode marker(trnH-psbA, matK, rbcL)를 이용하여 한국산 고란초목을 대상으로 유전자의 증폭 및 양방향 염기서열을 결정하였다.
DNA barcode marker 염기서열의 변이 분석과 유집 분석 결과 엽록체 barcode marker중 단독으로 가장 많은 분류군을 포함한 marker 는 trnH-psbA구간이며, 분석에 포함된 고란초목 식물의 202분류군중 514개체의 염기서열을 확보할 수 있었다. DNA barcode marker 중 가장 좋은 종 해상력을 가지는 marker는 matK이었으며 높은 해상력을 나타내었다. 두 구간의 바코드마커를 조합한 경우 해상력이 가장 좋은 조합은 rbcL+matK이고, 3개 모두 조합한 구간의 종의 해상력은 93.81%이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Most studies on Korean ferns and lycophytes have been focused on external morphologies partially because of difficulties in identifying them and their isolated distribution patterns confined mostly to southern islands including Jeju island in small populations. However, molecular genetic studies have been actively studied worldwide. Therefore, the purpose of this study is to conduct a molecular genetic study of Polypodiales, which account for 80% of Korean ferns.
The chloroplast DNA trnH-psbA, rbcL, and matK, which are frequently used in molecular phylogenetic studies in ferns, were examined. As a result, Polypodiales are monophyletic and all species studied are clearly distinct which are well coincided with previous studies. Our results also supported a classification system based on morphology.
Adiantaceae, Vittariaceae, Parkariaceae and Pteridaceae are more closely related to each other placing in the same clade. The genera Onychium and Pteris in Pteridaceae were also placing in the same clade. However, in contrast to current studies, Aspleniaceae is revealed to be independent to Eupolypod II. Dryopteridaceae is divided into two major clades; Cyrtomium and Polystichum clade and Dryopteris, Arachnoides and Leptorumohra clade. All the genera in the family Athyriaceae are revealed to be polyphyletic in consensus trees obtanined in this study. Thelypteridaceae is monophyletic and composed of two major clades; Cyclosorus, Lepteogramma, Pseudocyclosorus are the first group, and Thelypteris is the second group. Onocleaceae and Blechnaceae belong to same group. Polypodiaceae is monophyletic, Lomariopsidaceae and genus Loxogramme are more closely related to each other. Conclusively, the result of molecular phylogenetic study is similar to previous studies, however, in the case of inclusion of the MatK data, different results were obtained in the Eupolypod group.
Ferns often have irregular morphological characters by their frequent interspecific hybridizations and life cycle of apospory and apogamy and sometimes vegetative reproduction. These irregularities usually make ferns to identify difficult. Thus, in this study, the barcode markers (trnH-psbA, matK, rbcL) were used to study the exact identification of Korean polypodiales which belongs to 17 families and 202 species of 555 individuals. As a result, trnH-psbA marker among used chloroplast barcode markers is the most inclusive one which include 202 taxa of 514 individuals. The DNA barcode marker with the best resolution is matK. When the two barcode markers are combined, the best resolving power is the combination of rbcL + matK and the resolving power of the three combined regions is 93.81%.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅱ
• List of Figures ⅲ
• Abstract ⅵ
• 제 1 장. 분자형질에 근거한 한국산 고란초목(Polypodiales)의 계통 1
• 1. 서론 2
• 2. 연구사 7
• 3. 재료 및 방법 17
• 4. 결과 19
• 5. 고찰 36
• 제 2 장 한국산 고란초목(Polypodiales)의 DNA 바코드 연구 41
• 1. 서론 42
• 2. 연구사 44
• 3. 재료 및 방법 52
• 4. 결과 56
• 5. 고찰 115
• 제 3 장 요 약 120
• 제 4 장 인용문헌 122
• Appendix 1 148
• Appendix 2 199